微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)對共位目標(biāo)測控對策*

李潤芝1，丁 磊

(1.中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036；2.解放軍61541部隊，北京 100094)

1 引 言

隨著我國航天事業(yè)不斷發(fā)展，今后幾年將發(fā)射幾十顆衛(wèi)星和其它航天飛行器。目前，國內(nèi)外普遍使用的地面衛(wèi)星測控站，絕大多數(shù)針對一次發(fā)射一顆衛(wèi)星設(shè)計[1-2]，另外信號形式和處理較單一(如FM、PM、擴頻等任選擇一種)；使用兩種以上信號形式處理不多見，出現(xiàn)兩顆衛(wèi)星發(fā)射時，多采用簡單的分時法處理[3]，單站單顆衛(wèi)星的測控已不能滿足。多顆衛(wèi)星組成的各式衛(wèi)星系統(tǒng)以強大的生命力、高度的靈活性、較好的性價比，越來越受到國內(nèi)外普遍重視，也將成為我國今后航天領(lǐng)域重要組成部分。針對目前多衛(wèi)星系統(tǒng)的測控方法和體制發(fā)生了較大變化的情況，迅速建立一套相配的地面測控站是不現(xiàn)實的。本文利用目前我國建立的S、C頻段測控網(wǎng)和發(fā)射的多目標(biāo)共位衛(wèi)星任務(wù)，深入分析和利用波束大小、信號形式、頻分法、碼分法、綜合法等主要測控手段，對共位多目標(biāo)測控實現(xiàn)的一些方法和思路進行探討和研究。

2 共位目標(biāo)

多顆衛(wèi)星組成星座、星群、共位衛(wèi)星系統(tǒng)完成的功能比以往單顆衛(wèi)星集成各種功能相比更強，并具有抗干擾和抗打擊能力，其研制的低成本和快速靈活的發(fā)射，更加受到關(guān)心未來軍事發(fā)展人們的青睞。從近幾次局部戰(zhàn)爭使用多星系統(tǒng)的評估來看，收到了明顯效果，各國軍方都非常重視多顆衛(wèi)星組成系統(tǒng)研究。結(jié)合我國研制了多年的大型測控網(wǎng)，例如S 頻段測控網(wǎng)和C 頻段測控網(wǎng)，以及我國近幾年發(fā)射的“神舟”飛船、中低軌道衛(wèi)星、替代同步衛(wèi)星和“嫦娥”衛(wèi)星的實際出發(fā)，我們對目前的微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)進行多顆衛(wèi)星的測控研究很有必要，具體對共位衛(wèi)星以及共位飛行目標(biāo)測控更具有試驗條件和現(xiàn)實意義，也為進一步測控更多目標(biāo)提供成功和積累經(jīng)驗。共位目標(biāo)是指在某一時刻某一空域各個軌道存在幾顆、十幾顆或幾十顆測控目標(biāo)，這些目標(biāo)包括協(xié)同目標(biāo)和非協(xié)同目標(biāo)。本文敘述主要針對多個協(xié)同目標(biāo)在同一個位置或一個空間區(qū)域(即一個波瓣內(nèi))的共位目標(biāo)測控。

3 微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)

微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)是將多個副載波調(diào)到一個載波上，每一個副載波實現(xiàn)一個功能，從而實現(xiàn)測控中的多功能綜合，即將測控的多種功能統(tǒng)一在一個載波上，又稱統(tǒng)一載波測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括天伺饋、上行鏈路，下行鏈路、綜合基帶、數(shù)據(jù)處理傳輸、系統(tǒng)監(jiān)控、標(biāo)校、時統(tǒng)等分系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)簡圖

目標(biāo)(衛(wèi)星、飛船等)進入天線捕獲范圍后，全系統(tǒng)自動捕獲和跟蹤。目標(biāo)下發(fā)的微波信標(biāo)信號經(jīng)天線進入饋源，再經(jīng)微波網(wǎng)絡(luò)濾波、場放(LNA)和下變頻器(D/C)，變成中頻信號(如70 MHz)。進入綜合基帶終端的中頻跟蹤接收單元，檢測出方位、俯仰誤差信號，該誤差信號送到天線控制單元，指引天線穩(wěn)定跟蹤衛(wèi)星。

完成角跟蹤后，系統(tǒng)進入雙捕過程。雙向載波捕獲成功后，在綜合基帶終端完成遙控、測距副載波信號的調(diào)制，已調(diào)副載波上行載波進行再次調(diào)制(如70 MHz)，送至上變頻器(U/C)，經(jīng)上變頻器變成微波信號，經(jīng)高功率放大器(HPA)放大到足夠的功率，饋送至天線發(fā)射出去。

衛(wèi)星上的應(yīng)答機對接收到的微波信號進行頻率變換，并完成副載波解調(diào)，解調(diào)后各副載波經(jīng)分路濾波、放大分別送各終端還原成相應(yīng)的信號送各執(zhí)行機構(gòu)。轉(zhuǎn)發(fā)的下行測距信號和衛(wèi)星下行遙測信號對載波進行調(diào)制，經(jīng)功率放大饋送至天線發(fā)射回地面。

系統(tǒng)接收到衛(wèi)星發(fā)回的微波信號，經(jīng)放大、頻率轉(zhuǎn)換并解調(diào)出各副載波和測距信號。遙測單元對副載波進行解調(diào)，還原出遙測信息。測距單元完成數(shù)字濾波、提取和收發(fā)相移測量，并進行解相位模糊和目標(biāo)距離計算，形成測距數(shù)據(jù)。測速單元從相參轉(zhuǎn)發(fā)的載波多普勒信息中提取目標(biāo)速度數(shù)據(jù)。測角分系統(tǒng)在跟蹤目標(biāo)時，即可獲得連續(xù)的目標(biāo)方位、俯仰角度數(shù)據(jù)。至此，系統(tǒng)進入全跟蹤狀態(tài)，能完成衛(wèi)星的測軌、遙控和遙測任務(wù)。

4 共位目標(biāo)測控對策

通過微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)和共位目標(biāo)的深入研究，以及多次多種型號衛(wèi)星、飛船發(fā)射任務(wù)的積累，針對多目標(biāo)任務(wù)，充分利用微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)的各種功能，我們可以利用如波束大小、信號形式、頻分法、碼分法、綜合法等測控手段對共位多目標(biāo)進行測控。

(1)天線波束大小

利用了大天線、小天線各自跟蹤目標(biāo)、在小天線波束范圍內(nèi)所有目標(biāo)都能分時抽樣跟蹤多目標(biāo)的方法。小天線的控制范圍也是能夠測控較多目標(biāo)，但是它不能同時跟蹤，而且跟蹤精度不夠。大天線跟蹤可以彌補小天線的不足，它不僅能分時抽樣跟蹤小天線范圍內(nèi)所有目標(biāo)，還可以采用“抓領(lǐng)頭羊”模式進行跟蹤，對領(lǐng)頭星(或中心星)外其它星采用自主測控匯報模式，也可以采用測控系統(tǒng)分時抽樣跟蹤。故衛(wèi)星應(yīng)具備星間自主測控匯總功能，也可與被地面統(tǒng)一測控系統(tǒng)測控的方式相結(jié)合，較好解決多目標(biāo)測控問題。現(xiàn)將S 頻段大小天線波束表(見表1)、大小天線波束多目標(biāo)橫切面圖 (見圖2)列出。

表1 S頻段大小天線波束表

(2)信號形式

微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)所用信號形式一般有PM、FM、擴頻等模式，這些信號形式完全在接收中頻信號(70 MHz)頻譜直接測定和區(qū)分，這樣較少多目標(biāo)(3～5個)可以采用不同信號形式，微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)根據(jù)測到的信號形式分別分送各自對應(yīng)解調(diào)器加以提取，并加以區(qū)分目標(biāo)。如果結(jié)合信道的極化方式(L、R)，又可以增加1倍的目標(biāo)數(shù)量。微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)根據(jù)不同信號形式能較好解決不太多的目標(biāo)跟蹤。

圖2 大小天線波束多目標(biāo)橫切面圖

(3)頻分法

目前，微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)常用的S、C頻段分別為100 MHz 和500 MHz 左右, 按頻分分配可以是近無限多個目標(biāo)，每個目標(biāo)占有一個頻點。實際上每個目標(biāo)要攜帶多個調(diào)制副載波，多目標(biāo)數(shù)量大大縮減；另外更主要原因是，一個目標(biāo)對應(yīng)一條下行鏈路，在工程實現(xiàn)上較復(fù)雜，成本大增，故在較少目標(biāo)(3～5個)情況下可以采用此方法實現(xiàn)多目標(biāo)跟蹤。

(4)碼分法

它可以允許多個目標(biāo)在同一時間內(nèi)使用同一頻點，只要每個目標(biāo)都有其自己的特征碼序列，就能在同一頻點內(nèi)多個目標(biāo)用戶被識別和傳輸信息，達到利用不同地址碼進行多目標(biāo)識別和傳輸信息的目的，一般地址碼選擇偽隨機碼(PN)作為地址碼。微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)發(fā)出一組目標(biāo)編碼，相應(yīng)星上和地面測控站接收機有相應(yīng)相關(guān)接收，并解碼識別目標(biāo)碼，區(qū)別出目標(biāo)。實際上碼分法就是一種擴展頻譜系統(tǒng)，按這樣只要碼型結(jié)構(gòu)足夠長，可以測控的多目標(biāo)數(shù)量巨大，而且精度也較高，故碼分法是未來發(fā)展多目標(biāo)測控首選的方法之一。

(5)綜合法

根據(jù)目前我國現(xiàn)存微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)的各種功能，以及擴頻測控系統(tǒng)正在逐漸發(fā)展，單獨為多目標(biāo)設(shè)計擴頻測控系統(tǒng)不多。所以我們采用天線波束、信號形式、頻分法、簡化碼分法等模式相結(jié)合的方式，進行多目標(biāo)測控具有現(xiàn)實意義，也是現(xiàn)階段解決多目標(biāo)測控的較好方法。它充分利用現(xiàn)在的成熟的技術(shù)和成果，避免了一定風(fēng)險，拓寬了微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)的使用范圍和研制成本。從綜合法與單獨使用上述方法(除多目標(biāo)擴頻測控方法)相比之下，綜合法具有跟蹤目標(biāo)多(10以上)、跟蹤精度可以選擇，特別是解決共位多目標(biāo)測控較好的一種方法，值得推廣和應(yīng)用。

5 結(jié) 論

微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)利用如波束大小、信號形式、頻分法、碼分法、綜合法等測控手段，能較好解決共位多目標(biāo)測控。實際上，多目標(biāo)測控是一個系統(tǒng)問題，不僅協(xié)同目標(biāo)配合設(shè)計，地面微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)還要得到監(jiān)控技術(shù)、開關(guān)矩陣和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、標(biāo)校和測試技術(shù)支持，在一套好的測控計劃下完成。多目標(biāo)測控是近期國內(nèi)外發(fā)展重點和軍民市場迫切需求，具有廣闊應(yīng)用前景，值得進一步深入研究。

參考文獻：

[1] 劉蘊才.導(dǎo)彈衛(wèi)星測控系統(tǒng)工程[M].北京：國防工業(yè)出版社，1996.

LIU Yun-cai.Missile Satellite TT&C System Engineering[M]. Beijing: National Defense Industry Press,1996.(in Chinese)

[2] 統(tǒng)一載波測控系統(tǒng)講義[M].成都:電子工業(yè)部第十研究所,1997.

Unified Carrier TT&C System[M].Chengdu:The 10th Institute of the Ministry of Electronic Industry,1997.(in Chinese)

[3] 王秉鈞，王少勇，田寶玉. 現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

WANG Bing-jun,WANG Shao-yong,TIAN Bao-yu.Modern Satellite Communication System[M].Beijing: Electronic Industry Press,2004. (in Chinese)

[4] 陳永光，李修和,沈陽.組網(wǎng)雷達作戰(zhàn)能力分析與評估[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

CHEN Yong-guang,LI Xiu-he,SHEN Yang. Analysis and Estimation on Combat Capability of Radar Netting[M].Beijing: National Defense Industry Press,2006. (in Chinese)

[5] Joseph C Liberti,Jr Theodore S Rappaport.無線通信中的智能天線[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

Joseph C Liberti,Jr Theodore S Rappaport. SmartAntenna in Wireless communication [M].Beijing:China Machine Press,2002. (in Chinese)